高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點分析

胡澤衡

摘要：高層建筑是一個高效化、集約化的綜合系統(tǒng)工程，設(shè)計人員必須從當今經(jīng)濟現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個宏觀的、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，合理確定建筑設(shè)計標準、經(jīng)濟性措施和原則，這樣不僅滿足設(shè)計各類建筑的需求，同時也改善了人類的居住環(huán)境。本文論述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點及結(jié)構(gòu)分析方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；特點；結(jié)構(gòu)分析方法；

一、高層建筑的現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代高層建筑起源于美國，已有100 多年的歷史，美國的高層建筑在質(zhì)量、層數(shù)及數(shù)量上一直居于世界領(lǐng)先地位，其中代表建筑是1931年建成的紐約帝國大廈（高381m，102 層）和1974 年建成的芝加哥西爾斯大廈（412 m，110 層）。近幾年來，亞洲國家和地區(qū)的高層建筑發(fā)展非常迅速，而且廣泛采用新的結(jié)構(gòu)體系和建筑形式，逐步成為世界建造高層建筑的新重心。其中，日本、中東、馬來西亞、新加坡、泰國是高層建筑發(fā)展迅速的國家。我國高層建筑起源于20 世紀初的上海，近年來國內(nèi)的高層建筑以極為迅速的態(tài)勢在各地鋪開，高度及層數(shù)不斷突破。據(jù)統(tǒng)計，我國高層建筑在數(shù)量上已超過萬棟，高層建筑的類型涉及住宅、旅館、辦公、金融、商業(yè)綜合樓等多種類型。到目前為止，層數(shù)達30 層-60 層，高度為120 m-200 m 的高層建筑已經(jīng)聳立在全國各個大、中城市，我國最高的101 層492m 的上海環(huán)球金融中心已經(jīng)建成。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點

設(shè)計低層建筑結(jié)構(gòu)時，最主要的控制目標是結(jié)構(gòu)的強度。另外，由于低層建筑對其結(jié)構(gòu)體系的空間工作性能要求很低，所以低層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系主要是平面結(jié)構(gòu)。然而，在高層建筑中，結(jié)構(gòu)處于豎向荷載和水平荷載的共同作用下工作。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，盡管豎向荷載對結(jié)構(gòu)設(shè)計仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力愈來愈大，將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計時的主要控制因素，起著決定性的作用，成為確定結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性因素。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動力作用，而風力作用則包含靜力作用和動力作用。高層建筑對風的動力作用比較敏感，風振作用成為結(jié)構(gòu)分析中不容忽視的因素。在地震區(qū)，高層建筑往往受地震作用控制，所以計算地震對結(jié)構(gòu)的動力反應是高層建筑分析的重要內(nèi)容。

三、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

（一）框架結(jié)構(gòu)體系。從結(jié)構(gòu)體系上看，早期多采用框架結(jié)構(gòu)。由于它平面布置靈活，空間大，能適應較多功能的需要，因此成為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點連接情況下，當承受側(cè)向的風力或地震作用時，將會有較大的變形。因此，限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建造高度和層數(shù)。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為了滿足更高層數(shù)的要求，結(jié)合住宅、公寓和賓館對單開間的需求，出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置，按照功能要求，設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側(cè)向風力和地震作用是十分有利的，因此，它允許建造的高度遠遠高于框架結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處在于，平面布置的靈活性較差，使用上也受到一定限制。因此，它的適用范圍較小，僅適用于住宅、公寓和賓館等建筑。目前全國各地的大量高層住宅建筑，絕大多數(shù)均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

（三）框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑功能要求有較大的靈活性，但同時又能滿足風和地震作用的考驗，取框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之長，形成框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)具有布置靈活的優(yōu)點，而剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)力能力，結(jié)合后的結(jié)構(gòu)體系可滿足一般建筑功能要求，在適當位置設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻，既是建筑布置需要，又是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需要。因此，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用范圍和適應的高度較寬，是一種較好的結(jié)構(gòu)體系，已廣泛應用。

（四）筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新體系，它的出現(xiàn)滿足了高層建筑更高層數(shù)的要求，包括單簡體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優(yōu)勢，為眾多高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)所采用。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法

（一）基于常微分方程求解器的分析方法。對高層建筑結(jié)構(gòu)分析，現(xiàn)在國內(nèi)外學者已經(jīng)開發(fā)研制了相當有效的常微分方程求解器（ordinary deferential equation solver），功能很強，尤其自適應求解，可以滿足用戶預先對解答精度所指定的誤差限。我國清華大學包世華教授和袁駟教授在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應用此方法，解決了高層建筑結(jié)構(gòu)考慮樓板變形時靜力計算、動力計算和穩(wěn)定計算。這些問題若完全用離散化方法求解，其計算量都極其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程組數(shù)目少，顯示出極大的優(yōu)越性，在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中成功地運用此方法，具有獨到之處。

（二）基于有限條法和樣條函數(shù)法的分析方法。在高層建筑中，經(jīng)常會遇到幾何形狀和物理特性沿高度方向比較規(guī)則的情況，這樣的結(jié)構(gòu)體系采用有限條法很有效。有限條法只需沿著某些方向采用簡單多項式，其他方向則為連續(xù)、可微且事先滿足條端邊界條件的級數(shù)。在采用有限條法時，合理地選擇結(jié)構(gòu)計算模型，等效連續(xù)體的物理常數(shù)和條元的位移函數(shù)是提高精度、簡化計算的三個關(guān)鍵。樣條函數(shù)是分段多項式的一種，與一般有限單元法相比，它的位移模式曲線擬合度好、連續(xù)性及通用性強，系數(shù)矩陣稀疏、計算量小，且具有緊湊、收斂、完備和穩(wěn)定等方面特征。因此，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，不失為一種較好的方法，在高層建筑中得到了應用。

（三）基于分區(qū)廣義變分原理與分區(qū)混合有限元的分析方法。有限元，特別是雜交元和非協(xié)調(diào)元的發(fā)展，促進了分區(qū)廣義變分原理的研究。清華大學龍馭球教授在分區(qū)混合廣義變分原理基礎(chǔ)上提出了分區(qū)混合有限元法。它將彈性體分成勢能區(qū)和余能區(qū)，勢能區(qū)采用位移單元，以節(jié)點位移為基本未知量；余能區(qū)采用應力單元，以應力函數(shù)作為基本未知量，而區(qū)交界面通過引入附加的能量項在積分意義下滿足位移和力的連續(xù)條件，從而保證了收斂性，最后通過取總能量泛函為駐值建立分區(qū)混合有限元法基本方程。

（四）高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析方法。從1978 年以來，高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析（亦稱時程法）的研究和應用在我國迅速發(fā)展。這種方法是將地震波記錄直接輸入結(jié)構(gòu)，考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，依據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性恢復特性建立動力方程，用逐步積分法直接求出地震過程中位移、速度和加速度的時程變化，從而能夠描述結(jié)構(gòu)在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程。

五、結(jié)束語

高層建筑與普通建筑或低層建筑相比有很大差別，不僅僅表現(xiàn)在體量上的差別，它們之問最主要的差別在于以下方面：對于低層建筑來說，它們所受的外部作用主要是以重力為代表的豎向荷載。因此，設(shè)計人員必須從當今經(jīng)濟現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個宏觀的、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，合理確定建筑設(shè)計標準、經(jīng)濟性措施和原則，這樣不僅滿足設(shè)計各類建筑的需求，同時也改善了人類的居住環(huán)境。

參考文獻：

[1]周堅.高層建筑結(jié)構(gòu)力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 包世華，方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：清華大學出版社.1990.